CN111766700B

CN111766700B - 应用于头戴式显示设备的短焦距目镜组件

Info

Publication number: CN111766700B
Application number: CN201910262345.7A
Authority: CN
Inventors: 游鸿文; 黄文昭; 施富斌
Original assignee: Dongguan Shuangying Optoelectronic Technology Co ltd
Current assignee: Dongguan Shuangying Optoelectronic Technology Co ltd
Priority date: 2019-04-02
Filing date: 2019-04-02
Publication date: 2024-12-10
Anticipated expiration: 2039-04-02
Also published as: CN111766700A

Abstract

本发明公开了一种应用于头戴式显示设备的短焦距目镜组件，短焦距目镜组件相邻设置于头戴式显示设备的显示器，短焦距目镜组件接收显示器的影像源，令短焦距目镜组件在其焦点产生一聚焦影像，其中短焦距目镜组件包括至少两个菲涅尔透镜，两个菲涅尔透镜并排相邻设置，且两个菲涅尔透镜上具有螺纹的表面相对设置，以及一固定件环套设置在两个透镜边缘，固定两个菲涅尔透镜，同时避免灰尘进入到两个菲涅尔透镜之间。本发明通过两个菲涅尔透镜的设置，能有效缩短成像的焦距，以达到缩减目镜体积的目的，以实现小尺寸虚拟现实目镜的应用。

Description

应用于头戴式显示设备的短焦距目镜组件

技术领域

本发明有关一种光学组件的技术，特别是指一种应用于头戴式显示设备的短焦距目镜组件。

背景技术

虚拟现实(virtual reality，VR)是一种利用计算机技术产生一个三维空间的虚拟图像，并将其影像投射至用户眼中，令使用者感受到身入其境的技术。

目前用来实现虚拟现实的技术，多半是令用户将虚拟现实装置穿戴在头部，同时令虚拟现实装置中的显示屏幕贴近用户的眼部，使用者即可在一个短距离看到放大数倍的显示影像。

请参照图1，以说明一般现有的头戴式显示器90(Head-mounted display，HMD)的架构，如图所示，头戴式显示器90包括有一壳体92，壳体92内包覆有一显示屏幕94以及至少一透镜96，显示屏幕94与透镜96可并排设置在壳体92内，使显示屏幕94的影像可投射在透镜96上，显示屏幕94将影像投射在透镜96上后，透镜96能调整影像的聚焦位置，以将影像近距离投射在使用者的眼睛98，令使用者通过头戴式显示器90观赏到一个广视角的画面，产生虚拟现实影像。

但目前虚拟现实装置的缺点在于，其透镜厚度较厚，且透镜焦距的位置较远，以致于虚拟现实装置的体积及重量皆无法有效地缩减，令虚拟现实装置相当笨重，当用户穿戴在头上时，可能因虚拟现实装置体积过大或重量过重，造成穿戴上的不适，产生使用者无法长时间穿戴等问题产生。

有鉴于此，本发明遂针对上述现有技术的缺失，提出一种应用于头戴式显示设备的短焦距目镜组件，以有效克服上述多个问题。

发明内容

本发明的主要目的在提供一种应用于头戴式显示设备的短焦距目镜组件，其通过两个菲涅尔透镜的设置，能有效缩短成像的焦距，以达到缩减目镜的体积，实现小尺寸虚拟现实目镜的应用。

本发明的另一目的在提供一种应用于头戴式显示设备的短焦距目镜组件，其能有效缩短成像的焦距，同时令成像更为清晰。

为达上述的目的，本发明提供一种应用于头戴式显示设备的短焦距目镜组件，短焦距目镜组件相邻设置于头戴式显示设备的显示器，短焦距目镜组件可接收显示器的影像源，令短焦距目镜组件在其焦点产生一聚焦影像，短焦距目镜组件包括至少两个菲涅尔透镜(Fresnel lens)，至少两个菲涅尔透镜并排相邻设置，且至少两个菲涅尔透镜之间更设有一间距，间距可为0.5公厘(mm)～3公厘(mm)，至少两个菲涅尔透镜上具有螺纹的表面相对设置，以及一固定件环套设置在至少两个透镜边缘，以固定至少两个菲涅尔透镜，同时达到防尘的效果。

其中短焦距目镜组件满足其中F为短焦距目镜组件的焦点距离，ω为水平方向上的半视角，TTL短焦距目镜组件与显示器之间的距离。

其中短焦距目镜组件满足其中H为表示最大视野(field ofview，FOV)所对应成像像高，ω为水平方向上的半视角，E为光圈到短焦距目镜组件的距离。

其中短焦距目镜组件满足其中f₁、f₂分别为两个菲涅尔透镜的焦点距离。

其中短焦距目镜组件满足其中F为短焦距目镜组件的焦点距离，H为表示最大视野(field of view，FOV)所对应成像像高。

以下藉由具体实施例详加说明，当更容易了解本发明的目的、技术内容、特点及其所达成的功效。

附图说明

图1为现有头戴式显示器架构示意图。

图2为本发明的短焦距目镜组件架构立体示意图。

图3为本发明的短焦距目镜组件架构的侧面剖视图。

图4为本发明的短焦距目镜组件安装在头戴式显示设备的架构示意图。

图5为本发明的短焦距目镜组件安装在头戴式显示设备的使用状态示意图。

附图标记说明：1-短焦距目镜组件；10-菲涅尔透镜；10’-菲涅尔透镜；102-螺纹；102’-螺纹；104-平面；104’-平面；12-固定件；20-头戴式显示设备；22-壳体；24-显示器；26-眼睛；a-间距；b-焦点；90-头戴式显示器；92-壳体；94-显示屏幕；96-透镜；98-眼睛。

具体实施方式

本发明提供一种短焦距目镜组件，其可用以装设在头戴式显示设备中，以调整头戴式显示设备的显示器的影像，短焦距目镜组件不但能使影像清晰呈现，更因短焦距目镜组件轻薄且焦距短，能有效缩减头戴式显示设备的重量及体积，实现小尺寸虚拟现实目镜的应用。

请参照图2以及图3，以说明本发明短焦距目镜组件1的结构，本发明的短焦距目镜组件1包括至少两个菲涅尔透镜10、10’，并排且相邻设置在一起，其中菲涅尔透镜10、10’为光学塑料或玻璃制成的菲涅尔透镜(Fresnel lens)。本实施例举例的菲涅尔透镜10、10’的其中一表面具有螺纹102、102’，相对于设有螺纹的另一表面则为一平面104、104’，本实施例举例两个菲涅尔透镜10、10’具有螺纹102、102’的表面相对设置，且两个菲涅尔透镜10、10’更被设置在两个菲涅尔透镜10、10’边缘的一固定件12固定在一起，本实施例举固定件12为环形套件，以环套在两个菲涅尔透镜10、10’的边缘，藉此将两个菲涅尔透镜10、10’固定在一起，同时固定件12的设置亦可防止灰尘进入到两个菲涅尔透镜10、10’之间。当然两个菲涅尔透镜10、10’并不限定须具有螺纹102、102’的表面相对设置，本发明亦可令平面104、104’互相对应设置，或具有螺纹102的表面与平面104’互相对应设置，本发明并不以上述将具有螺纹102、102’的表面相对设置的实施例为限制。短焦距目镜组件1的两个菲涅尔透镜10、10’之间更设有一间距a，其间距a可为0.5公厘(mm)～3公厘(mm)，其间距相当短且不占空间，可有效缩减短焦距目镜组件1的体积。再者，本发明藉由两个菲涅尔透镜10、10’并排设置，可令短焦距目镜组件1的焦距低于25公厘(mm)，相较过去一般现有透镜的焦距为60公厘(mm)来说，本发明的短焦距目镜组件1的焦距相当短，因此应用在头戴式显示设备时，可达到有效缩小头戴式显示设备的体积的目的。

在说明完本发明短焦距目镜组件1的结构后，接下来请参照图4，以说明本发明的短焦距目镜组件1装设在头戴式显示设备20的实施例，如图所示，本发明的短焦距目镜组件1可安装在头戴式显示设备20中，以取代过去头戴式显示设备中的现有透镜，藉此缩短透镜设置的体积以及焦距等，令头戴式显示设备20达到体积缩减的目的。如图4所示，头戴式显示设备20包括有一壳体22，壳体22内包覆有短焦距目镜组件1以及显示器24，其中短焦距目镜组件1相邻设置于头戴式显示设备20的显示器24，其显示器24可为显示屏幕，其大小可藉于1.5寸～2.5寸之间。

接下来请参照图5，以详细说明头戴式显示设备20的使用状态，短焦距目镜组件1可接收显示器24所发出的影像源，接着短焦距目镜组件1即可在其焦点b产生一聚焦影像，令用户的眼睛26摆放在焦点的位置，用户即可欣赏到聚焦影像，以感受虚拟现实的技术。

再者，本发明的令短焦距目镜组件1的结构可满足以下四个条件：

其中F为短焦距目镜组件的焦点距离，ω为水平方向上的半视角，TTL短焦距目镜组件与显示器之间的距离。

其中H为表示最大视野(field of view，FOV)所对应成像像高，ω为水平方向上的半视角，E为光圈到短焦距目镜组件的距离。

其中f₁、f₂分别为两个菲涅尔透镜的焦点距离。

其中F为短焦距目镜组件的焦点距离，H为表示最大视野(field of view，FOV)所对应成像像高。

为证明本发明短焦距目镜组件1的结构可产生更好的成像令使用者观赏，请参照以下四组实验数据，以证明本发明的短焦距目镜组件1具良好的成像效果。本发明在短焦距目镜组件1焦点距离f＝18.21，光圈大小FNO＝4.5，两倍水平方向上的半视角2ω＝88.7°条件下，透镜参数(表一)以及非球面系数(表二)如下：

表一、透镜参数

透镜面

K

A

B

C

D

E

F

G

2

infinity

0.000E+00

3

-0.446658

0.000E+00

-1.276E-07

4.002E-10

-3.436E-13

0.000E+00

4

infinity

0.000E+00

5

-0.79189

0.000E+00

1.586E-07

-4.018E-10

3.46E-13

0.00E+00

表二、非球面系数

本发明在短焦距目镜组件1焦点距离f＝20.2，光圈大小FNO＝5，两倍水平方向上的半视角2ω＝89.3°条件下，透镜参数(表三)以及非球面系数(表四)如下：

表三、透镜参数

透镜面

K

A

B

C

D

E

F

G

2

∞

0.000E+00

0.00E+00

3

1.69389625

0.000E+00

-5.302E-07

2.163E-09

-2.071E-12

0.00E+00

4

∞

0.000E+00

0.00E+00

5

-0.58627179

0.000E+00

6.868E-07

-2.518E-09

2.94E-12

0.00E+00

表四、非球面系数

本发明在短焦距目镜组件1焦点距离f＝20.1，光圈大小FNO＝4.9，两倍水平方向上的半视角2ω＝90.1°条件下，透镜参数(表五)以及非球面系数(表六)如下：

表五、透镜参数

透镜面

K

A

B

C

D

E

F

G

2

∞

0.000E+00

0.00E+00

3

1.1129

0.000E+00

-5.328E-08

2.193E-09

-1.257E-12

0.00E+00

4

∞

0.000E+00

0.00E+00

5

-0.41014

0.000E+00

6.926E-07

-2.744E-09

3.43E-12

0.00E+00

表六、非球面系数

本发明在短焦距目镜组件1焦点距离f＝22.59，光圈大小FNO＝5.4，两倍水平方向上的半视角2ω＝92.8°条件下，透镜参数(表七)以及非球面系数(表八)如下：

表七、透镜参数

透镜面

K

A

B

C

D

E

F

G

2

∞

0.000E+00

0.00E+00

3

1.8542

0.000E+00

-5.708E-07

2.395E-07

-2.109E-12

0.00E+00

4

∞

0.000E+00

0.00E+00

5

-0.286717

0.000E+00

6.990E-07

-2.760E-09

3.57E-12

0.00E+00

表八、非球面系数

综上所述，本发明的短焦距目镜组件通过两个菲涅尔透镜的设置，能有效缩短成像的焦距，以达到缩减目镜体积的目的，同时令成像更为清晰，以实现小尺寸虚拟现实目镜的应用。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明实施的范围。故即凡依本发明权利要求范围所述的特征及精神所为的均等变化或修饰，均应包括于本发明的保护范围内。

Claims

1.一种应用于头戴式显示设备的短焦距目镜组件，其相邻设置于该头戴式显示设备的显示器，该短焦距目镜组件接收显示器的影像源，令该短焦距目镜组件在其焦点产生一聚焦影像，其特征在于，该短焦距目镜组件由两个菲涅尔透镜组成，该两个菲涅尔透镜相邻且并排设置；

该两个菲涅尔透镜上具有螺纹的表面相对设置；

更包括一固定件，该固定件环套设置在该两个菲涅尔透镜边缘，以固定该两个菲涅尔透镜；

该短焦距目镜组件满足该F为该短焦距目镜组件的焦点距离，该ω为水平方向上的半视角，该TTL该短焦距目镜组件与该显示器之间的距离；

该短焦距目镜组件满足该H为表示最大视野所对应成像像高，该E为光圈到该短焦距目镜组件的距离。

2.如权利要求1所述的应用于头戴式显示设备的短焦距目镜组件，其特征在于，该两个菲涅尔透镜之间更设有一间距，该间距为0 .5mm～3mm。

3.如权利要求1所述的应用于头戴式显示设备的短焦距目镜组件，其特征在于，该短焦距目镜组件的焦距低于25mm。

4.如权利要求1所述的应用于头戴式显示设备的短焦距目镜组件，其特征在于，该短焦距目镜组件满足该f1、f2分别为两个菲涅尔透镜的焦点距离。

5.如权利要求1所述的应用于头戴式显示设备的短焦距目镜组件，其特征在于，该短焦距目镜组件满足该F为该短焦距目镜组件的焦点距离，该H为表示最大视野所对应成像像高。